“悟空”巡天有望揭開暗物質神秘面紗

過去的幾天，當全國上下都在慶祝國慶、中秋佳節時，天上那隻“猴子”依舊奔跑在太陽同步軌道上，忙忙碌碌。

而500公里之下的中國科學院紫金山天文台“悟空”號科研團隊，在首席科學家常進院士的帶領下也沒閒着，正在深入分析宇宙線和伽馬射線數據。

從2015年12月20日接收到第一幀數傳數據，至2020年9月30日，“悟空”號衞星已在軌飛行1746天，完成了全天區的第9遍掃描，共探測並處理了約86.9億個高能粒子。

“‘悟空’號的設計壽命為3年，目前探測器及衞星平台運行狀態良好，已於2019年1月正式進行首次延壽運行，為期2年。基於悟空號目前優異的工作狀態，有望於2021年1月再次延壽運行。”團隊負責人之一、範一中研究員告訴科技日報記者。

美猴王的“水晶棒”將撥開暗物質“烏雲”

2015年12月17日8時12分，我國在酒泉衞星發射中心用長征二號丁運載火箭成功將中國科學衞星系列首發星——暗物質粒子探測衞星“悟空”發射升空。

“這是中國科學家首次在太空中放置自己的高分辨率高能空間望遠鏡。”常進説，“它有望深刻地改變人類的宇宙觀，實現空間科學重大突破。”

“悟空”的使命是尋找宇宙暗物質。科學家推測，宇宙中95%以上是暗物質和暗能量，其中暗物質佔26.8%。暗物質不發光、不發出電磁波、不參與電磁相互作用，它無法用任何光學或電磁波觀測設備直接“看”到。

人類探測暗物質的方式主要分為三類：一是對撞機探測，主要有歐洲核子中心的大型強子對撞機；二是在地下進行的直接探測，我國在四川錦屏山地下實驗室中正在開展相關實驗；三是間接探測，主要在空間進行。

“悟空”衞星就是採用第三種方式。物理學家們認為，暗物質粒子碰撞後會產生高能粒子，如伽馬射線、正負電子、正反質子、中微子等。暗物質衞星能精確探測這些粒子，通過其能譜、空間分佈來尋找暗物質粒子存在的證據。

目前，國際上有三個著名的暗物質探測器，“悟空”是世界上迄今為止觀測能段範圍最寬、能量分辨率最優的空間探測器。

以《西遊記》中美猴王的名字命名的衞星“悟空”，沒有攜帶金箍棒，卻帶了300多根“水晶棒”。

“悟空”衞星的BGO能量器包含308根縱橫交錯的晶體，每一根都有2.5釐米見方、60釐米長，是世界最長的BGO晶體。這些漂亮的“水晶棒”能夠測量入射粒子的能量，從而獲取宇宙粒子的蛛絲馬跡。

“年富力強”的“悟空”還將繼續服役

每天清晨和傍晚，“悟空”都會路過中國上空。位於密雲、喀什、三亞的三個數據接收站，每天要接收它回傳的約16G數據。而“悟空”號科研團隊就是要從日積月累的海量數據中分析出有價值的科學成果。

早在2017年，“悟空”號科研團隊就已向世界展示出首批成果：精確測量的太空中的電子宇宙射線能譜。2019年，團隊再次公佈了對質子宇宙射線能譜的精確測量結果，發現能譜上存在一處新的結構。科學家們推測，這可能是鄰近某宇宙射線源的印記。

科學家從宇宙射線能譜中得出的判斷是否準確，有兩個相關因素：一是累積的數據量，二是背景的干擾性。數據量當然多多益善，而背景干擾則是越低越好。

因此，常進院士的生活規律就是早上醒來先看前一天衞星數據的總結報告，每晚看完當天已下載數據的分析才能入眠。

目前，“悟空”號科研團隊正開展氦核宇宙射線能譜分析。“我們發現氦核能譜也存在類似質子譜的拐折結構，這為我們進一步理解宇宙射線起源這一世紀謎題提供了重要數據。”紫金山天文台袁強研究員告訴記者。

此外，“悟空”號團隊還在伽馬射線數據中搜尋暗物質信號，並正積極推動下一代暗物質粒子探測衞星——“甚大面積伽馬射線空間望遠鏡（VLAST）”的關鍵技術攻關。

據範一中介紹，“悟空”設計壽命為3年，目前已經超期服役近2年，但它看起來依舊“年富力強”，有望再次延長工作時間。